После изучения этих процессов были сделаны выводы о том, что некоторые ядра в природе обладают излишком энергии, находятся в ?возбужденном¦ состоянии и могут самопроизвольно сбрасывать часть энергии. Сброс энергии возможен путем радиоактивного распада или излучения.

Определение: Радиоактивный распад - это самопроизвольное превращение одного изотопа в другой (возможно даже в изотоп другого элемента) сопровождающийся сбросом энергии ядра в окружающие пространство.

Существует несколько видов радиоактивного распада приведем основные:

Альфа-распад.

При альфа распаде излишек энергии из ядра уносится с альфа-частицей, которая представляет собой ядро гелия. Другими словами из капли ядра вылетает частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов (ядро гелия). Энергия оставшегося ядра меньше чем исходного. Причем поскольку улетают два протона то заряд ядра уменьшается на 2 и мы получаем другой химический элемент.

Например:

При альфа распаде урана образуется торий, ядро которого тоже обладает излишком энергии (находится в возбужденном состоянии), и может в свою очередь претерпеть распад, результатом которого снова будет возбужденное ядро и т.д. Образуется цепочка распадов, в конце который, мы получим устойчивый изотоп, например: в нашем случае возможен свинец .

Бета распад.

Бета распад бывает трех видов:

- распад - из ядра вылетает электрон и антинейтрино, при этом нейтрон превращается в протон.

Заряд ядра увеличивается на единицу и изотоп превращается в изотоп другого элемента, следующего в таблице Менделеева.

- распад - из ядра вылетает позитрон и нейтрино, при этом протон превращается в нейтрон.

Заряд уменьшается на единицу - получается изотоп элемента стоящего перед исходным в таблице Менделеева.

К- захват - протон захватывает ближайший к ядру электрон и превращается в нейтрон, при этом ядро испускает нейтрино и квант энергии.

Заряд уменьшается на единицу - получается изотоп элемента стоящего перед исходным в таблице Менделеева.

Гамма излучение.

Гамма квант представляет собой электромагнитное излучение с большой частотой, обладающие большой энергией. Излишняя энергия ядра может быть сброшена путем испускания одного или нескольких гамма квантов, это и называется гамма излучением.

Интересной особенностью радиоактивного распада является то, что в настоящее время не известно не одного способа, с помощью которого можно ускорить или замелить этот процесс.

Закон радиоактивного распада

Отношение числа радиоактивных ядер [dN(t) = N(t)-N(t+dt)], распадающихся за единицу времени, к общему числу радиоактивных ядер, имеющихся в данный момент времени [N(t)], постоянно:

- постоянная радиоактивного распада

Каждый изотоп обладает своим значением постоянной радиоактивного распада.

Если известно количество ядер изотопа в начальный момент времени N0, и постоянная распада этих ядер , то для любого момента времени t можно определить количество ядер, по формуле:

Графически закон можно представить на графике, где по оси У отложено количество ядер, а по оси X - время.

Для каждого изотопа существует свое время полураспада.

Определение: Период полураспада - это время в течении которого распадается половина исходного количества ядер.

Период полураспада для одних изотопов составляет тысячные доли секунды, для других тысячи и миллиарды лет, последние представляют собой главную проблему современной ядерной энергетики. Образовавшиеся в процессе работы реактора эти изотопы остаются радиоактивными в течении столетий и представляют опасность для окружающей среды и человека.

В заключении нужно сказать, что количество энергии, выделившееся в результате цепочки радиоактивных распадов превращающих 1 г урана в свинец, такое же как при сгорании 400 кг угля.

Ядерные реакции.

Как было сказано ранее, в настоящие время не существует способа ускорить радиоактивный распад веществ. Ни нагрев до высоких температур, ни сильное сжатие не могут уменьшить период полураспада. Для урана процесс превращения происходит настолько медленно (миллиарды лет), что нечего и думать о практическом использовании выделяющейся энергии.

Проблема была решена после открытия в 1939 году ядерной реакции деления урана под действием нейтронов.

Основное отличие ядерных реакций от самопроизвольного радиоактивного распада, это участие в процессе, кроме ядра, других частиц. В самом деле, вместо того, чтобы ждать когда ядро ?надумает¦ развалится, попробуем ударить по нему какой либо частицей протоном, нейтроном или даже другим ядром.

Определение: Ядерная реакция - это процесс превращения ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или с другими ядрами.

Первую ядерную реакцию, осуществил Резерфорд направляя пучок альфа-частиц (ядер гелия) на вещество содержащие ядра азота, в результате были получены изотопы кислорода и водорода:

Первые ядерные реакции происходили при бомбардировки заряженными частицами (ядрами гелия, протонами) различных элементов. При этом, энергия затраченная на разгон налетающих частиц значительно превосходила энергию, полученную в результате реакции. Разгон частиц необходим для преодоления сил электрического сопротивления (положительно заряженное ядро отталкивает положительно заряженные ядра, альфа-частицы и протоны). Если в качестве налетающей частицы использовать нейтрон, который не имеет заряда, то необходимость в разгоне пропадает. Поэтому в настоящие время в ядерных реакторах определяющими реакциями являются ядерные реакции нейтронов с ядрами веществ находящихся в активной зоне. Рассмотрим самые важные из них.

Реакция деления.

Механизм деления, проще всего представить с помощью капельной модели ядра. В каплю "ядерной жидкости" попадает нейтрон. Под действием внесенной энергии в капле возникают колебания формы, от сферической до форы двух грушеобразных частей с перешейком между ними если внесенной неторном энергии достаточно, то перешеек рвется - ядро разваливается на два осколка.

После деления урана, как правило, образуются два осколка с соотношением масс 2 к 3 и несколько нейтронов.

В принципе, если нейтрон обладает достаточно большой энергией, то разделится может любое ядро. В большинстве ядерных реакторов главным делящимся изотопом является изотоп урана 235U. При делении урана образуются два ядра-осколка и два или три нейтрона (в среднем около 2.5 нейтрона на один акт деления). При делении одного ядра выделяется приблизительно 3.1510-13Дж энергии.